De rol van Sch9 voor vacuolaire functionaliteit in Saccharomyces cerevisiae

Alice Uwineza
Persbericht

De rol van Sch9 voor vacuolaire functionaliteit in Saccharomyces cerevisiae

Zoals algemeen bekend wordt de bakkersgist Saccharomyces cerevisiae gebruikt in verscheidene industriële processen, zoals het bakken van brood of het brouwen van bier. Daarnaast wordt dit organisme echter ook gebruikt als een modelsysteem voor het ophelderen van fundamentele cellulaire processen zoals nutriëntsignalering en veroudering. Het is immers geweten dat deze processen op een zeer gelijkaardig manier verlopen in cellen van zoogdieren en de mens. Zo wordt in het gastlabo onderzoek verricht naar de manier waarop gistcellen omgaan met de aan- en afwezigheid van specifieke voedingsstoffen, en meerbepaald welke cellulaire eiwitten hierin een rol spelen. Eén van deze eiwitten is Sch9, welk een kinase is dat signalen kan ontvangen van binnen en buiten de cel, en deze signalen verder doorgeeft door andere eiwitten te fosforyleren (aanhechten van een fosfaatgroep aan een eiwit). Door zijn signaleringsfunctie bepaalt dit eiwit in grote mate de groei van de gistcel wanneer voldoende voedingsstoffen aanwezig zijn, alsook de overleving ervan tijdens periodes van nutriënttekorten.

In deze studie werd een link ontdekt tussen dit Sch9 en een eiwitcomplex aangeduid als het “vacuolaire H+-ATPase complex”, kortweg V-ATPase. Dit V-ATPase kan men beschouwen als een protonen-pomp die specifieke compartimenten in de cel zal verzuren, zoals de vacuole (in zoogdiercellen aangeduid als lysosoom). Dit laatste is noodzakelijk voor de vacuole om zijn functie te kunnen uitoefenen als reservoir voor de opstapeling en recyclage van voedingsstoffen. Het V-ATPase speelt echter ook een rol in verscheidene andere processen, die schijnbaar niet gelinkt zijn met het verzuren van compartimenten, en we tonen aan dat net deze bijkomende functies van het V-ATPase gedeeld worden met het Sch9 eiwit. Een voorbeeld hiervan is dat zowel Sch9 als het V-ATPase een rol spelen in de cellulaire productie van, en reactie tegen, zuurstofradicalen. Deze schadelijke stoffen leveren een aanzienlijke bijdrage tot het verouderingsproces, en onze data bewijzen dan ook dat het V-ATPase een belangrijke rol vervult in het bepalen van de levensduur van gistcellen, samen met het Sch9 eiwit. De exacte mechanismen waarmee Sch9 en het V-ATPase gezamenlijke functies uitoefenen zijn nog niet gekend, doch we hebben in de huidige studie kunnen aantonen dat beide spelers rechtstreeks met elkaar interageren in de cel, wat erop wijst ze met elkaar communiceren via rechtstreeks contact.

Interessant is dat zowel Sch9 en het V-ATPase structurele en functionele tegenhangers hebben in zoogdiercellen, zelfs tot op het niveau van de mens. In het geval van Sch9 is aangetoond dat de PKB/Akt en S6K1 eiwitten (welke net als Sch9 ook kinasen zijn) een gelijkaardige rol spelen in zoogdiercellen. De V-ATPase proton pomp is bovendien zo sterk geconserveerd dat deze zelfs dezelfde naam draagt in humane cellen. Net als Sch9 en het V-ATPase in gist, spelen hun tegenhangers in de mens een cruciale rol in het verouderingsproces, en beide zijn geïmpliceerd in de ontwikkeling van verscheidene ouderdomsgerelateerde ziekten zoals kanker. Verder onderzoek naar de cellulaire mechanismen waarmee Sch9 en het V-ATPase samenwerken in de gistcel, zal dus van grote waarde zijn voor de verdere opheldering van de werking van hun humane tegenhangers. Dit laatste kan nieuwe perspectieven openen voor de ontwikkeling van alternatieve strategieën ter behandeling van ziekten waarin deze eiwitten een rol spelen.  

Bibliografie

Baars TL, Petri S, Peters C, Mayer A (2007) Role of the V-ATPase in regulation of the vacuolar fission-fusion equilibrium. Mol Biol Cell 18: 3873-3882

Bayer MJ, Reese C, Buhler S, Peters C, Mayer A (2003) Vacuole membrane fusion: V0 functions after trans-SNARE pairing and is coupled to the Ca2+-releasing channel. J Cell Biol 162: 211-222

Bontron S, Jaquenoud M, Vaga S, Talarek N, Bodenmiller B, Aebersold R, De Virgilio C (2012) Yeast Endosulfines Control Entry into Quiescence and Chronological Life Span by Inhibiting Protein Phosphatase 2A. Cell Rep

Breitenbach M, Laun P, Jazwinski SM (2012) Introduction. Subcell Biochem 57: 1-12

Bryant NJ, Stevens TH (1998) Vacuole biogenesis in Saccharomyces cerevisiae: protein transport pathways to the yeast vacuole. Microbiol Mol Biol Rev 62: 230-247

Compton MA, Graham LA, Stevens TH (2006) Vma9p (subunit e) is an integral membrane V0 subunit of the yeast V-ATPase. J Biol Chem 281: 15312-15319

Crauwels M, Donaton MC, Pernambuco MB, Winderickx J, de Winde JH, Thevelein JM (1997) The Sch9 protein kinase in the yeast Saccharomyces cerevisiae controls cAPK activity and is required for nitrogen activation of the fermentable-growth-medium-induced (FGM) pathway. Microbiology 143 ( Pt 8): 2627-2637

Dechant R, Binda M, Lee SS, Pelet S, Winderickx J, Peter M (2010) Cytosolic pH is a second messenger for glucose and regulates the PKA pathway through V-ATPase. Embo J 29: 2515-2526

Devasahayam G, Burke DJ, Sturgill TW (2007) Golgi manganese transport is required for rapamycin signaling in Saccharomyces cerevisiae. Genetics 177: 231-238

Devasahayam G, Ritz D, Helliwell SB, Burke DJ, Sturgill TW (2006) Pmr1, a Golgi Ca2+/Mn2+-ATPase, is a regulator of the target of rapamycin (TOR) signaling pathway in yeast. Proc Natl Acad Sci U S A 103: 17840-17845

Diakov TT, Kane PM (2010) Regulation of vacuolar proton-translocating ATPase activity and assembly by extracellular pH. J Biol Chem 285: 23771-23778

Eide DJ, Clark S, Nair TM, Gehl M, Gribskov M, Guerinot ML, Harper JF (2005) Characterization of the yeast ionome: a genome-wide analysis of nutrient mineral and trace element homeostasis in Saccharomyces cerevisiae. Genome Biol 6: R77

Fabrizio P, Hoon S, Shamalnasab M, Galbani A, Wei M, Giaever G, Nislow C, Longo VD (2010) Genome-wide screen in Saccharomyces cerevisiae identifies vacuolar protein sorting, autophagy, biosynthetic, and tRNA methylation genes involved in life span regulation. PLoS Genet 6: e1001024

Fabrizio P, Liou LL, Moy VN, Diaspro A, Valentine JS, Gralla EB, Longo VD (2003) SOD2 functions downstream of Sch9 to extend longevity in yeast. Genetics 163: 35-46

Fabrizio P, Pozza F, Pletcher SD, Gendron CM, Longo VD (2001) Regulation of longevity and stress resistance by Sch9 in yeast. Science 292: 288-290

Fontana L, Partridge L, Longo VD (2010) Extending healthy life span--from yeast to humans. Science 328: 321-326

Foury F (1990) The 31-kDa polypeptide is an essential subunit of the vacuolar ATPase in Saccharomyces cerevisiae. J Biol Chem 265: 18554-18560

Glick D, Barth S, Macleod KF (2010) Autophagy: cellular and molecular mechanisms. J Pathol 221: 3-12

Graham LA, Powell B, Stevens TH (2000) Composition and assembly of the yeast vacuolar H(+)-ATPase complex. J Exp Biol 203: 61-70

Huang X, Liu J, Dickson RC (2012) Down-regulating sphingolipid synthesis increases yeast lifespan. PLoS Genet 8: e1002493

Huber A, Bodenmiller B, Uotila A, Stahl M, Wanka S, Gerrits B, Aebersold R, Loewith R (2009) Characterization of the rapamycin-sensitive phosphoproteome reveals that Sch9 is a central coordinator of protein synthesis. Genes Dev 23: 1929-1943

Huber A, French SL, Tekotte H, Yerlikaya S, Stahl M, Perepelkina MP, Tyers M, Rougemont J, Beyer AL, Loewith R (2011) Sch9 regulates ribosome biogenesis via Stb3, Dot6 and Tod6 and the histone deacetylase complex RPD3L. EMBO J 30: 3052-3064

Jacinto E, Lorberg A (2008) TOR regulation of AGC kinases in yeast and mammals. Biochem J 410: 19-37

Jorgensen P, Nishikawa JL, Breitkreutz BJ, Tyers M (2002) Systematic identification of pathways that couple cell growth and division in yeast. Science 297: 395-400

Jorgensen P, Rupes I, Sharom JR, Schneper L, Broach JR, Tyers M (2004) A dynamic transcriptional network communicates growth potential to ribosome synthesis and critical cell size. Genes Dev 18: 2491-2505

Kaeberlein M, Burtner CR, Kennedy BK (2007) Recent developments in yeast aging. PLoS Genet 3: e84

Kaeberlein M, Kennedy BK (2005) Large-scale identification in yeast of conserved ageing genes. Mech Ageing Dev 126: 17-21

Kane PM (2006) The where, when, and how of organelle acidification by the yeast vacuolar H+-ATPase. Microbiol Mol Biol Rev 70: 177-191

Kane PM (2007) The long physiological reach of the yeast vacuolar H+-ATPase. J Bioenerg Biomembr 39: 415-421

Kawai S, Urban J, Piccolis M, Panchaud N, De Virgilio C, Loewith R (2011) Mitochondrial genomic dysfunction causes dephosphorylation of Sch9 in the yeast Saccharomyces cerevisiae. Eukaryot Cell 10: 1367-1369

Kim MD, Hong SP, Carlson M (2005) Role of Tos3, a Snf1 protein kinase kinase, during growth of Saccharomyces cerevisiae on nonfermentable carbon sources. Eukaryot Cell 4: 861-866

Lamming DW, Sabatini DM (2011) A radical role for TOR in longevity. Cell Metab 13: 617-618

Lavoie H, Whiteway M (2008) Increased respiration in the sch9Delta mutant is required for increasing chronological life span but not replicative life span. Eukaryot Cell 7: 1127-1135

Li SC, Kane PM (2009) The yeast lysosome-like vacuole: endpoint and crossroads. Biochim Biophys Acta 1793: 650-663

Liu K, Zhang X, Lester RL, Dickson RC (2005a) The sphingoid long chain base phytosphingosine activates AGC-type protein kinases in Saccharomyces cerevisiae including Ypk1, Ypk2, and Sch9. J Biol Chem 280: 22679-22687

Liu K, Zhang X, Sumanasekera C, Lester RL, Dickson RC (2005b) Signalling functions for sphingolipid long-chain bases in Saccharomyces cerevisiae. Biochem Soc Trans 33: 1170-1173

Longo VD, Fabrizio P (2012) Chronological Aging in Saccharomyces cerevisiae. Subcell Biochem 57: 101-121

Longo VD, Gralla EB, Valentine JS (1996) Superoxide dismutase activity is essential for stationary phase survival in Saccharomyces cerevisiae. Mitochondrial production of toxic oxygen species in vivo. J Biol Chem 271: 12275-12280

Lu JY, Lin YY, Sheu JC, Wu JT, Lee FJ, Chen Y, Lin MI, Chiang FT, Tai TY, Berger SL, Zhao Y, Tsai KS, Zhu H, Chuang LM, Boeke JD (2011) Acetylation of yeast AMPK controls intrinsic aging independently of caloric restriction. Cell 146: 969-979

Martin DE, Hall MN (2005) The expanding TOR signaling network. Curr Opin Cell Biol 17: 158-166

Milgrom E, Diab H, Middleton F, Kane PM (2007) Loss of vacuolar proton-translocating ATPase activity in yeast results in chronic oxidative stress. J Biol Chem 282: 7125-7136

Nelson H, Nelson N (1990) Disruption of genes encoding subunits of yeast vacuolar H(+)-ATPase causes conditional lethality. Proc Natl Acad Sci U S A 87: 3503-3507

Pan Y, Schroeder EA, Ocampo A, Barrientos A, Shadel GS (2011) Regulation of yeast chronological life span by TORC1 via adaptive mitochondrial ROS signaling. Cell Metab 13: 668-678

Pan Y, Shadel GS (2009) Extension of chronological life span by reduced TOR signaling requires down-regulation of Sch9p and involves increased mitochondrial OXPHOS complex density. Aging (Albany NY) 1: 131-145

Pascual-Ahuir A, Proft M (2007a) Control of stress-regulated gene expression and longevity by the Sch9 protein kinase. Cell Cycle 6: 2445-2447

Pascual-Ahuir A, Proft M (2007b) The Sch9 kinase is a chromatin-associated transcriptional activator of osmostress-responsive genes. EMBO J 26: 3098-3108

Pedruzzi I, Dubouloz F, Cameroni E, Wanke V, Roosen J, Winderickx J, De Virgilio C (2003) TOR and PKA signaling pathways converge on the protein kinase Rim15 to control entry into G0. Mol Cell 12: 1607-1613

Peyroche G, Milkereit P, Bischler N, Tschochner H, Schultz P, Sentenac A, Carles C, Riva M (2000) The recruitment of RNA polymerase I on rDNA is mediated by the interaction of the A43 subunit with Rrn3. EMBO J 19: 5473-5482

Powers T (2007) TOR signaling and S6 kinase 1: Yeast catches up. Cell Metab 6: 1-2

Ptacek J, Devgan G, Michaud G, Zhu H, Zhu X, Fasolo J, Guo H, Jona G, Breitkreutz A, Sopko R, McCartney RR, Schmidt MC, Rachidi N, Lee SJ, Mah AS, Meng L, Stark MJ, Stern DF, De Virgilio C, Tyers M, Andrews B, Gerstein M, Schweitzer B, Predki PF, Snyder M (2005) Global analysis of protein phosphorylation in yeast. Nature 438: 679-684

Reinders A, Bürckert N, Boller T, Wiemken A, De Virgilio C (1998) Saccharomyces cerevisiae cAMP-dependent protein kinase controls entry into stationary phase through the Rim15p protein kinase. Genes Dev 12: 2943-2955

Roelants FM, Torrance PD, Thorner J (2004) Differential roles of PDK1- and PDK2-phosphorylation sites in the yeast AGC kinases Ypk1, Pkc1 and Sch9. Microbiology 150: 3289-3304

Roosen J, Engelen K, Marchal K, Mathys J, Griffioen G, Cameroni E, Thevelein JM, De Virgilio C, De Moor B, Winderickx J (2005) PKA and Sch9 control a molecular switch important for the proper adaptation to nutrient availability. Mol Microbiol 55: 862-880

Rubenstein EM, Schmidt MC (2010) The glucose signal and metabolic p[H+]lux. EMBO J 29: 2473-2474

Rudra D, Warner JR (2004) What better measure than ribosome synthesis? Genes Dev 18: 2431-2436

Smets B, De Snijder P, Engelen K, Joossens E, Ghillebert R, Thevissen K, Marchal K, Winderickx J (2008) Genome-wide expression analysis reveals TORC1-dependent and -independent functions of Sch9. FEMS Yeast Res 8: 1276-1288

Smets B, Ghillebert R, De Snijder P, Binda M, Swinnen E, De Virgilio C, Winderickx J (2010) Life in the midst of scarcity: adaptations to nutrient availability in Saccharomyces cerevisiae. Curr Genet 56: 1-32

Stichternoth C, Fraund A, Setiadi E, Giasson L, Vecchiarelli A, Ernst JF (2011) Sch9 kinase integrates hypoxia and CO2 sensing to suppress hyphal morphogenesis in Candida albicans. Eukaryot Cell 10: 502-511

Swinnen E, Wanke V, Roosen J, Smets B, Dubouloz F, Pedruzzi I, Cameroni E, De Virgilio C, Winderickx J (2006) Rim15 and the crossroads of nutrient signalling pathways in Saccharomyces cerevisiae. Cell Div 1: 3

Thorpe GW, Fong CS, Alic N, Higgins VJ, Dawes IW (2004) Cells have distinct mechanisms to maintain protection against different reactive oxygen species: oxidative-stress-response genes. Proc Natl Acad Sci U S A 101: 6564-6569

Toda T, Cameron S, Sass P, Wigler M (1988) SCH9, a gene of Saccharomyces cerevisiae that encodes a protein distinct from, but functionally and structurally related to, cAMP-dependent protein kinase catalytic subunits. Genes Dev 2: 517-527

Tomashek JJ, Graham LA, Hutchins MU, Stevens TH, Klionsky DJ (1997) V1-situated stalk subunits of the yeast vacuolar proton-translocating ATPase. J Biol Chem 272: 26787-26793

Urban J, Soulard A, Huber A, Lippman S, Mukhopadhyay D, Deloche O, Wanke V, Anrather D, Ammerer G, Riezman H, Broach JR, De Virgilio C, Hall MN, Loewith R (2007) Sch9 is a major target of TORC1 in Saccharomyces cerevisiae. Mol Cell 26: 663-674

Wanke V, Cameroni E, Uotila A, Piccolis M, Urban J, Loewith R, De Virgilio C (2008) Caffeine extends yeast lifespan by targeting TORC1. Mol Microbiol 69: 277-285

Wanke V, Pedruzzi I, Cameroni E, Dubouloz F, De Virgilio C (2005) Regulation of G0 entry by the Pho80-Pho85 cyclin-CDK complex. EMBO J 24: 4271-4278

Wei M, Fabrizio P, Hu J, Ge H, Cheng C, Li L, Longo VD (2008) Life span extension by calorie restriction depends on Rim15 and transcription factors downstream of Ras/PKA, Tor, and Sch9. PLoS Genet 4: e13

Wei M, Fabrizio P, Madia F, Hu J, Ge H, Li LM, Longo VD (2009) Tor1/Sch9-regulated carbon source substitution is as effective as calorie restriction in life span extension. PLoS Genet 5: e1000467

Woodsmith J, Jenn RC, Sanderson CM (2012) Systematic analysis of dimeric E3-RING interactions reveals increased combinatorial complexity in human ubiquitination networks. Mol Cell Proteomics 11: M111.016162

Wullschleger S, Loewith R, Hall MN (2006) TOR signaling in growth and metabolism. Cell 124: 471-484

Yorimitsu T, Zaman S, Broach JR, Klionsky DJ (2007) Protein kinase A and Sch9 cooperatively regulate induction of autophagy in Saccharomyces cerevisiae. Mol Biol Cell 18: 4180-4189

Zaborske JM, Wu X, Wek RC, Pan T (2010) Selective control of amino acid metabolism by the GCN2 eIF2 kinase pathway in Saccharomyces cerevisiae. BMC Biochem 11: 29

Universiteit of Hogeschool
Biochemie en Biotechnologie
Publicatiejaar
2013
Kernwoorden
Share this on: